旋转流变仪-锥板结构

锥板结构是粘弹性流体流变学测量中使用最多的几何结构。很少量的样品置于半径为R的平板和锥板之间，锥板的顶角很小。在外边界，样品应该有球形的自由表面。对于粘性流体，锥板也可以置于平板下方，锥板或平板都可以旋转。在锥顶角很小的情况下，在板间隙内速度沿θ方向的分布是线性的。

在锥顶角很小的情况下，剪切速率是常数，并且相应的流动为简单剪切流动。这个结果是从牛顿流体得出的，这里也假设对于粘弹性流体它也成立。因此，一般建议锥顶角应该小于3°。

锥板结构是一种理想的测量结构，它主要的优点在于：

(i)剪切速率恒定，在确定流变学性质时不需要对流动动力学作任何假设。不需要流变学模型；

(ii)测试时仅需要很少量的样品，这对于样品稀少的情况显得尤为重要，如生物流体和实验室合成的少量聚合物；

(iii)体系可以有极好的传热和温度控制；

(iv)末端效应可以忽略，特别是在使用少量样品，并且在低速旋转的情况下。

锥板结构也存在一些缺点，主要表现在：

(i)体系只能局限在很小的剪切速率范围内，因为在高的旋转速度下，由于惯性的作用，聚合物熔体不会留在锥板与平板之间。对于低粘度和有轻微弹性的流体，可以使用杯来代替平板，这样可以得到大的剪切速率；

(ii)对于含有挥发性溶剂的溶液来讲，很难消除溶剂挥发和自由边界带来的影响。为了减小这些影响的作用，可以在外边界上涂覆非挥发性流体，如硅油或甘油。但是要特别注意所涂覆的物质不能在边界上产生明显的应力；

(iii)对于多相体系，如固体悬浮液和聚合物共混物，如果其中分散粒子的大小和板间距相差不大，就会引起很大的误差。对于多相体系的最佳选择是同轴的平行板夹具

(iv)应该避免用锥板结构来进行温度扫描实验，除非仪器本身有自动的热膨胀补偿系统。

有时可以使用截顶锥来代替圆锥。使用截顶锥，在实验上更容易设定校正的间距。截去的部分只局限于中心很小的区域内，因此它对扭矩和法向应力没有显著的影响。实验中应尽量避免使用大的锥顶角以保持剪切流场的均匀。然而，使用很小的锥顶角会带来实验上的困难。若锥顶角为1°，则间距的数量级为40µm，因而测量就对间距和校准设置非常敏感。

样品的装载对于锥板体系是非常重要的，过多或过少的样品都会引起实验的误差。样品应该正好充满上下板间的空间。如果在测试过程中，样品会发生收缩(如溶剂挥发等)，则需要适当地多装一些。下图显示了不同的样品装载情况。